一種基于蠔殼?碳纖維?人工濕地的水體凈化系統的制作方法

本實用新型涉及污水處理技術，具體的說，涉及一種基于蠔殼-碳纖維-人工濕地的水體凈化系統，適于各種城市和農村生活污水的凈化處理。

背景技術：

我國目前經濟發展迅速，在水污染和水質性缺水情況嚴重的形勢下，建設運行安全穩定、處理效率高、運行成本低的污水凈化處理系統具有重要意義。

城市和農村污水的凈化處理方法很多，如化學氧化還原法、化學沉淀法、膜分離法、生化法、人工濕地法。現代污水處理工藝一般分為一級、二級和三級(深度處理)。生物膜法是應用最廣、最具發展前景的代表性工藝之一，曝氣生物濾池中的濾料應能為微生物附著提供大量的表面積以便使污水以液膜狀態流過生物膜、有足夠的空隙率保證通風供氧和使脫落的生物膜能隨水流出濾池、不被微生物分解同時也不抑制微生物生長并有一定的機械強度且價格低廉。通常污水處理廠采用的二級處理(活性污泥法和生物膜法)多種多樣，例如氧化溝工藝、AB工藝、SBR工藝、CASS工藝、MBR工藝等，但是這些工藝的主要控制指標為有機物、懸浮物等，對氮磷的控制效果不理想，只將污水經一級和二級處理后就將其排放至高標準的受納水體或作為中水回用很難達到要求，要達到脫氮除磷的目的還需在這些工藝的后面加上一些污水三級處理措施。利用人工濕地技術進行污水處理現已被廣泛使用，采用砂石為主的濕地填料上植入的水生和濕生植物對污水中污染物去除效率低，特別是磷的去除率低，濕地填料載體上微生物量少，濕地填料上植入的水生和濕生植物根系對磷的吸收效率低。在生物濾池及濕地填料層中使用蠔殼填料，由于蠔殼中豐富的CaCO₃可在弱酸性條件下逐漸溶出Ca²⁺，經過和水中的H⁺結合而游離出OH^-，使污水中的部分磷酸鹽可通過化學除磷方式被去除。

生態碳纖維材料是一種比表面積大、吸附和脫附性能強、與生物有良好兼容性的新型填料，由腈綸、丙綸和表面修飾后的活性碳纖維復合而成。它具有豐富的微孔結構，孔徑分布范圍廣；比表面積很大，一般都在1000m²/g以上，具有較大的吸附容量；其微孔直接分布于纖維的表面，因而吸附質擴散的路徑短、時間短，其吸附和再生的速率快，可在較溫和條件下再生，用污水凈化處理，不僅凈化效率高，而且處理量大，裝置緊湊，占地面積小，設備投資小和效益高。

技術實現要素：

為解決現有污水凈化處理方法和工藝所面臨的技術困難，本實用新型的目的是：提供一種將活性污泥法、生物膜法和人工濕地法結合，提高脫氮除磷效率的基于蠔殼-碳纖維-人工濕地的水體凈化系統。

為了達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種基于蠔殼-碳纖維-人工濕地的水體凈化系統，包括沿著水流方向依次設置的進水格柵池、厭氧池、缺氧池、一級好氧池、二級好氧池、人工濕地、出水格柵池；厭氧池和缺氧池內均設置蠔殼活性污泥反應格柵，一級好氧池和二級好氧池內均設置碳纖維生物膜反應格柵，一級好氧池和二級好氧池均連接曝氣裝置，頂部種植水生植物的人工濕地包括從上往下依次設置的沙填料處理層、蠔殼填料處理層、礫石填料處理層。

作為一種優選，厭氧池、缺氧池、一級好氧池、二級好氧池形成一體化處理裝置；厭氧池設有入水口，厭氧池和缺氧池之間、缺氧池和一級好氧池之間、一級好氧池和二級好氧池之間均設有過水口，二級好氧池設有出水口；厭氧池和缺氧池之間的過水口、一級好氧池和二級好氧池之間的過水口位于處理池的內下方；厭氧池的入水口、缺氧池和一級好氧池之間的過水口、二級好氧池的出水口的高度依次降低且均位于處理池的內上方。

作為一種優選，厭氧池的長為150～200cm，寬為120～200cm，深為120～160cm，缺氧池的長為150～200cm，寬為120～200cm，深為120～160cm，厭氧池和缺氧池的上端裝有蓋板，蠔殼活性污泥反應格柵的厚度為10～15cm；一級好氧池的長為150～200cm，寬為150～200cm，深為120～160cm，二級好氧池的長為150～200cm，寬為150～200cm，深為120～160cm，碳纖維生物膜反應格柵的厚度為10～15cm，碳纖維生物膜反應格柵內碳纖維束間距為5～10cm。

作為一種優選，進水格柵池連接進水管，進水管高于厭氧池的入水口；進水格柵池內設有濾除漂浮物和雜質的格柵，該格柵包括格柵框架和安裝在格柵框架上的格柵網。

作為一種優選，蠔殼活性污泥反應格柵包括蠔殼格柵框架和填充在蠔殼格柵框架內的蠔殼，蠔殼作為活性污泥的載體；碳纖維生物膜反應格柵包括碳纖維格柵框架和填充在碳纖維格柵框架內的碳纖維束，碳纖維束作為生物膜的載體。

作為一種優選，曝氣裝置包括曝氣設備和多個曝氣盤，開口向上的曝氣盤均布在一級好氧池和二級好氧池的內底部，曝氣盤與曝氣設備通過管道相接；曝氣盤為膜片盤式微孔曝氣盤。

作為一種優選，人工濕地的長為5～20m，寬為3～5m，深為50～80cm；人工濕地的底部為防滲層，厚度為5～10cm，結構為混凝土加砂漿抹面；沙填料處理層的厚度為5～10cm，沙填料的粒徑為1～9mm，蠔殼填料處理層的厚度為10～20cm，礫石填料處理層的厚度為20～40cm，礫石填料的粒徑為5～30mm。

作為一種優選，出水格柵池緊貼人工濕地的一側設置，出水格柵池和人工濕地通過格柵網墻隔開，該格柵網墻包括格柵網墻框架和安裝在格柵網墻框架上的格柵網；出水格柵池內設有濾除漂浮物和雜質的格柵，該格柵包括格柵框架和安裝在格柵框架上的格柵網。

一種基于蠔殼-碳纖維-人工濕地的水體凈化方法，采用基于蠔殼-碳纖維-人工濕地的水體凈化系統，包括如下步驟：

(1)污水經設有格柵的進水格柵池進行攔截處理，初步攔截污水中的漂浮物及雜質；

(2)經步驟(1)攔截處理后的污水進入厭氧池內，蠔殼活性污泥反應格柵的填料攔截吸附顆粒物，通過水解酸化將大分子有機物分解成易于氧化處理的小分子，并去除部分有機物；

(3)經步驟(2)處理后的污水進入缺氧池內，蠔殼活性污泥反應格柵的填料攔截吸附顆粒物，通過水解酸化將有機物分解，進一步去除部分有機物；

(4)經步驟(3)處理后的污水進入一級好氧池，曝氣裝置對污水進行曝氣充氧處理，使得污水與氧氣充分接觸，碳纖維生物膜反應格柵的填料攔截吸附污染物，以降低污染物的含量；

(5)經步驟(4)處理后的污水進入二級好氧池，曝氣裝置對污水進行曝氣充氧處理，使得污水與氧氣充分接觸，碳纖維生物膜反應格柵的填料攔截吸附污染物，進一步降低污染物的含量；

(6)經步驟(5)處理后的污水進入人工濕地的頂部，污水自上而下依次通過人工濕地內設置的沙填料處理層、蠔殼填料處理層、礫石填料處理層進行三級處理，經過沙填料處理層內栽植的水生植物吸收作用和三級處理中微生物的生化分解作用，污水得到深度的凈化處理，經人工濕地終端設置的格柵網墻進入出水格柵池；

(7)經步驟(6)處理后的污水經設有格柵的出水格柵池進行攔截處理，達標排放或回用。

作為一種優選，步驟(2)中，污水經厭氧池的上部流入后，流經多層蠔殼活性污泥反應格柵，從厭氧池的下部排出；步驟(3)中，污水經缺氧池的下部流入后，流經多層蠔殼活性污泥反應格柵，從缺氧池的上部排出；步驟(4)中，污水經一級好氧池的上部流入后，流經多層碳纖維生物膜反應格柵后，從一級好氧池的下部排出；步驟(5)中，污水經二級好氧池的下部流入后，流經多層碳纖維生物膜反應格柵后，從二級好氧池的上部排出。

本實用新型的原理是：將活性污泥法、生物膜法和人工濕地法結合處理污水，活性污泥法中，用蠔殼作為活性污泥的載體；生物膜法中，用碳纖維作為生物膜的載體；活性污泥法、生物膜法的四級反應池形成A²/O²工藝一體化處理裝置；人工濕地法中，采用蠔殼作為生物膜的載體兼利用到里面的碳酸鈣成分化學除磷。

總的說來，本實用新型具有如下優點：

1.不僅能解決污水處理系統脫氮除磷效率低的難題，還能降低污水處理設備的基建和運行維護費用，約為常規生化處理運行費用的一半。

2.污水凈化處理效率高，經過凈化處理后的污水，能夠達到多種回用水標準，處理后的尾水得以再次利用，可節約大量的水資源。

3.能夠凈化處理城市和農村各種不同類型的生活污水。

4.濕地處理系統的景觀效果很好，濕地型公園具有休閑功能。

5.運行操作及維護管理簡單。

6.以沿海地區養殖廢棄物蠔殼和碳纖維為原材料，取材方便。

本實用新型與傳統的人工濕地污水處理工藝相比，有以下優點：

1.本處理系統具有強化的一體化處理裝置作為預處理裝置，具有更好的污水治理效果。

2.進入人工濕地的污水中懸浮物和污染物已經在預處理裝置中得到凈化和處理，使得人工濕地部分能夠長期穩定運行。

3.組合工藝的水力負荷很高，水體凈化系統占地面積比傳統方法減少一半以上。

4.填料材料及處理層的合理級配，易于運行管理和維護。

附圖說明

圖1是一種基于蠔殼-碳纖維-人工濕地的水體凈化系統的原理圖。

圖2是進水格柵池和一體化處理裝置及其構件的示意圖。

圖3是人工濕地的結構示意圖。

圖4是出水格柵池及其構件的示意圖。

附圖中，1-1進水格柵池，1-2厭氧池，1-3缺氧池，1-4一級好氧池，1-5二級好氧池，1-6人工濕地，1-7出水格柵池，1-8進水管，1-9出水管，1-10曝氣設備，2-1格柵，2-2蠔殼活性污泥反應格柵的固定支架，2-3厭氧池的蠔殼活性污泥反應格柵，2-4厭氧池和缺氧池之間的過水口，2-5缺氧池的蠔殼活性污泥反應格柵，2-6曝氣盤，2-7一級好氧池的碳纖維生物膜反應格柵，2-8一級好氧池和二級好氧池之間的過水口，2-9二級好氧池的碳纖維生物膜反應格柵，2-10二級好氧池的出水口，2-11碳纖維生物膜反應格柵的固定支架，2-12缺氧池和一級好氧池之間的過水口，2-13蓋板，2-14進水格柵池和厭氧池之間的過水口，2-15進水格柵池的格柵框架，2-16進水格柵池的格柵網，2-17蠔殼格柵框架，2-18蠔殼，2-19碳纖維束，2-20碳纖維格柵框架，2-21曝氣盤的圓孔，2-22曝氣盤之間的連接管，2-23管道，3-1礫石填料處理層，3-2蠔殼填料處理層，3-3沙填料處理層，3-4防滲層，3-5菖蒲，3-6美人蕉，3-7再力花，4-1格柵網墻框架，4-2格柵網，4-3出水格柵池的格柵，4-4出水格柵除的格柵框架，4-5出水格柵除的格柵網，4-6格柵網墻。

具體實施方式

下面來對本實用新型做進一步詳細的說明。

一種基于蠔殼-碳纖維-人工濕地的水體凈化系統，包括沿著水流方向依次設置的進水格柵池、厭氧池、缺氧池、一級好氧池、二級好氧池、人工濕地、出水格柵池。

進水格柵池連接進水管，進水管高于厭氧池的入水口。進水格柵池內設有濾除漂浮物和雜質的格柵，該格柵包括格柵框架和安裝在格柵框架上的格柵網。

厭氧池、缺氧池、一級好氧池、二級好氧池形成一體化處理裝置；厭氧池設有入水口，厭氧池和缺氧池之間、缺氧池和一級好氧池之間、一級好氧池和二級好氧池之間均設有過水口，二級好氧池設有出水口；厭氧池和缺氧池之間的過水口、一級好氧池和二級好氧池之間的過水口位于處理池的內下方；厭氧池的入水口、缺氧池和一級好氧池之間的過水口、二級好氧池的出水口的高度依次降低且均位于處理池的內上方。厭氧池和缺氧池內均設置三層蠔殼活性污泥反應格柵，一級好氧池和二級好氧池內均設置三層碳纖維生物膜反應格柵，一級好氧池和二級好氧池均連接曝氣裝置。厭氧池和缺氧池的上端裝有蓋板。蠔殼活性污泥反應格柵包括蠔殼格柵框架和填充在蠔殼格柵框架內的蠔殼，蠔殼可整體或者敲碎后接種活性污泥植入格柵框架內；碳纖維生物膜反應格柵包括碳纖維格柵框架和填充在碳纖維格柵框架內的碳纖維束，碳纖維束采用環氧樹脂黏合的方式固定在碳纖維格柵框架內。曝氣裝置包括曝氣設備和多個曝氣盤，開口向上的曝氣盤均布在一級好氧池和二級好氧池的內底部，曝氣盤與曝氣設備通過管道相接；曝氣盤為膜片盤式微孔曝氣盤。本領域技術人員能根據需要，無需付出創造性勞動，在系統啟動時，投加復合菌種約30～200克，燜曝24～48h，之后進入運行直至系統穩定；技術人員應對不同污水置入對應的活性污泥，以及置入對應的微生物進行生物膜反應。

人工濕地包括從上往下依次設置的沙填料處理層、蠔殼填料處理層、礫石填料處理層，人工濕地的底部為防滲層，水生植物種植在沙填料處理層內。人工濕地的一側為格柵網墻，出水格柵池和人工濕地通過格柵網墻隔開，該格柵網墻包括格柵網墻框架和安裝在格柵網墻框架上的格柵網。二級好氧池的出水口接有出水管，該出水管的位置在人工濕地上方，直接排水入人工濕地。

出水格柵池內設有濾除漂浮物和雜質的格柵，該格柵包括格柵框架和安裝在格柵框架上的格柵網。出水格柵池接出水管，將凈化后的水排出。

一種基于蠔殼-碳纖維-人工濕地的水體凈化方法，采用基于蠔殼-碳纖維-人工濕地的水體凈化系統，包括如下步驟：

步驟⑴、污水經設有格柵的進水格柵池進行攔截處理，攔截污水中大的漂浮物及雜質；

步驟⑵、經步驟⑴攔截處理后的污水進入厭氧池內，蠔殼活性污泥反應格柵的填料攔截吸附顆粒物，通過水解酸化將大分子有機物分解成易于氧化處理的小分子，并去除部分有機物；

步驟⑶、經步驟⑵處理后的污水進入缺氧池內，蠔殼活性污泥反應格柵的填料攔截吸附顆粒物，通過水解酸化將有機物分解，進一步去除部分有機物；

步驟⑷、經步驟⑶處理后的污水進入一級好氧池，曝氣裝置對污水進行曝氣充氧處理，使得污水與氧氣充分接觸，碳纖維生物膜反應格柵的填料攔截吸附污染物，以降低污染物的含量；

步驟⑸、經步驟⑷處理后的污水進入二級好氧池，曝氣裝置對污水進行曝氣充氧處理，使得污水與氧氣充分接觸，碳纖維生物膜反應格柵的填料攔截吸附污染物，進一步降低污染物的含量；

步驟⑹、經步驟⑸處理后的污水進入人工濕地的頂部澆入，污水自上而下依次通過人工濕地內設置的沙填料處理層、蠔殼填料處理層、礫石填料處理層三級處理層，經過沙層栽植的水生植物菖蒲、美人蕉、再力花吸收作用和三級處理層中微生物的生化分解作用，污水得到深度的凈化處理，經人工濕地終端設置格柵網墻進入出水格柵池；

步驟⑺、經步驟⑹處理后的污水經設有格柵的出水格柵池進行攔截處理，達標排放或回用。

本實用新型所選用的蠔殼作為活性污泥的載體，比傳統的無機與有機填料更適合反硝化細菌，反硝化除磷菌的生長；此外，蠔殼中含有豐富的CaCO₃，缺氧池中有機的酸化為蠔殼溶解創造了有利條件，可在弱酸性條件下逐漸溶出Ca²⁺，通過結合水中的H⁺而游離出OH^-，因此，污水中的部分磷酸鹽可通過化學除磷方式被去除溶出的鈣離子。本實用新型所選用的碳纖維束作為生物膜的載體，比表面積大、吸附和脫附性能強、與生物有良好兼容性，具有豐富的微孔結構，孔徑分布范圍廣，具有較大的吸附容量；其微孔直接分布于纖維的表面，因而吸附質擴散的路徑短、時間短，其吸附和再生的速率快，可在較溫和條件下再生。將其作為填料用于一級和二級氧化池內，配合微孔曝氣裝置，形成生物碳纖維接觸氧化技術，該技術具有以下優勢：

⑴、BOD容積負荷高，污泥生物量大，處理效率較高，而且對進水沖擊負荷的適應力強；

⑵、處理時間短，在處理水量相同的條件下，所需裝置的設備較小，占地面積小；

⑶、能夠克服污泥膨脹問題；

⑷、有較高的生物濃度。

本實用新型在人工濕地進行污水處理中，蠔殼作為填料，一方面利用牡蠣殼粗糙的表面作為生物膜的載體，另一方面利用牡蠣殼在缺氧酸化過程中碳酸鈣成分的不斷溶出，可將污水中的磷酸鹽通過化學除磷方式去除。人工濕地的脫氮除磷效果顯著，在水生植物、填料、微生物的共同作用下實現的對氮的去除，包括基質吸附、過濾、沉淀、氨的揮發、植物的吸收和微生物的硝化-反硝化作用等；通過微生物的積累、植物的吸收和填料的物理化學等協調作用實現對磷的去除。另外，人工濕地降解重金屬、大腸桿菌等污染物質的功能為系統的良好出水水質與回用提供保障。人工濕地對污染物的作用機理包括微生物反應、物理化學反應以及通過植物合成等，對污水凈化處理過程的反應式如下：

⑴、植物根系+蠔殼填料+沙石填料層—污染物→微生物培養、生長

⑵、O₂(空氣)+污水(C_nH_n)—微生物→CO₂+H₂O

⑶、O₂(空氣)+污水(NH₃)—微生物→NO₃^-+H₂O

⑷、C_nH_n(污水)+NO₃^-—微生物(缺氧)→N₂+H₂O

⑸、C_nH_n+PO₄^3-+NO₃^-(污水)—植物吸收→濕地植物個體

⑹、Ca²⁺+PO₄^3-→Ca₃(PO₄)₂

本實用新型實施例中，通過填料尺寸、間隙、粒徑與級配的最優組合，設計出了該水體凈化系統的填料組合與級配方式，可最有效地提高污水凈化效率、減小一體化處理裝置和人工濕地占地面積，方便后續的維護與運行管理，在具體工程的設計和實施過程中，根據設計進出水水質的不同要求，調整填料層的厚度比例間隙。最佳具體實施例為：

進水格柵池的尺寸：長150～200cm、寬80～120cm、深80～100cm，污水的進水管設置在靠近上部位置，直徑為160～250mm，進水格柵池和厭氧池之間的過水口設置在靠近上部位置，比污水進水管的高度略低。

厭氧池的尺寸：長150～200cm、寬120～200cm、深120～160cm，頂部加蓋板，厭氧池和缺氧池之間的過水口設置在靠近底部位置。

缺氧池的尺寸：長150～200cm、寬120～200cm、深120～160cm，缺氧池和一級好氧池之間的過水口設置在靠近上部位置，比進水格柵池和厭氧池之間的過水口的高度略低。

厭氧池的蠔殼活性污泥反應格柵和缺氧池的蠔殼活性污泥反應格柵的厚度為10～15cm。

一級好氧池的尺寸：長150～200cm、寬150～200cm、深120～160cm，一級好氧池和二級好氧池之間的過水口設置在靠近底部位置。

二級好氧池的尺寸：長150～200cm、寬150～200cm、深120～160cm，二級好氧池的出水口設置在靠近上部位置，比缺氧池和一級好氧池之間的過水口的高度略低。

一級好氧池的碳纖維生物膜反應格柵和二級好氧池的碳纖維生物膜反應格柵的厚度為10～15cm，碳纖維束間距為5～10cm。

4個反應池的過水口的直徑為25～80mm。

曝氣裝置由曝氣設備、曝氣盤、連接件和布氣管道、三通、四通、彎頭等管件連接組成。曝氣盤為膜片盤式微孔曝氣盤，采用ABS工程塑料為底盤、托板，布氣板由三元乙丙膠(EPDM)材料制成，規格為直徑200～300mm，工作通氣量2～8m³/h·個。曝氣管的直徑為10～25mm。

人工濕地的尺寸：長5～20m、寬3～5m、深50～80cm，(其中層厚：沙填料處理層為5～10cm、粒徑為1～9mm，蠔殼填料處理層為10～20cm，礫石填料處理層為20～40cm、粒徑為5～30mm，防滲層為5～10cm、結構為混凝土加砂漿抹面)，沙填料處理層栽植水生植物，濕地終端和出水格柵池之間設置格柵網墻。

出水格柵池的尺寸：長150～200cm、寬50～100cm、深50～80cm，凈化處理后的出水管直徑160～250mm。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。